光电效应

不同颜色的光在真空中的传播速度为C在同一种介质中，不同颜色的光传播速度不同：红光的传播速度最大，折射率最小紫光的传播速度最小，折射率最大一束白光经过棱镜后会发生什么现象?白光经过棱镜后在光屏上形成一条彩色的亮带（光谱）红光在上端，紫光在最下端.同种介质对不同频率的光的偏折角度不同；同种介质对不同频率的光的折射率不同．白光实际上是由各种单色光组成的复色光.色光物理量公式红橙黄绿蓝靛紫频率f小--大偏向角θ小--大绝对折射率nn=c/v小--大同一介质中的速度vn=c/v大--小同一介质中的波长ת=v/f大--小真空中的速度相等真空中的波长ת=c/f大--小福建省罗源第一中学电磁波谱无线电波红外线可见光紫外线伦琴射线γ射线频率(Hz)104～3×10113×1011～3.9×10143.9×1014～7.5×10147.5×1014～5×10163×1016～3×10203×1019以上真空中波长106～3×1013nm700～106nm400～700nm5～400nm10～10－3nm10－2nm以下福建省罗源第一中学射线γ射线频率真空中波长由左向右，频率变化为：由低到高由左向右，波长变化为：由长到短第一节光电效应第五章波与粒子光究竟是什么？微粒说牛顿直线传播、反射弹性粒子波动说惠更斯干涉、衍射光是一种机械波电磁说麦克斯韦真空、横波、速度电磁波学说代表人物依据观点随着赫兹证实了电磁波的存在，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步。赫兹但是：早在1887年赫兹在作电磁的实验时，就偶然发现了一个后来被称作光电效应的现象，这个现象使光的电磁说遇到了无法克服的困难。光电效应实验装置图一、光电效应现象(1887年赫兹发现）1.用弧光灯照射锌板验电器指针张开，说明什么？2.用丝绸摩擦过的玻璃棒接触锌板，指针张角增大，说明什么？用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电1定义：猜想:具备哪些条件才可能发发生光电效应规律,要发生与哪些因素有关?1）与光的强度有关吗?2）与光的颜色即与光的频率有关吗？3）与光照射时间有关吗？4）与被照射的材料有关吗？一、光电效应现象在光的照射下，物体表面发出电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流实验与探究高压电源锌板铜网白炽灯灵敏电流计白炽灯照射时电流计指针不发生偏转指针不偏转实验与探究高压电源锌板铜网紫光灵敏电流计紫光照射时电流计指针发生偏转指针偏转①每一种金属对应一种光的最小频率，又称极限频率。入射光的频率必须大于或者等于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；②当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，光电子越多；③光电效应的发生几乎是瞬时的，时间不超过10－9s。④光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；二.光电效应的实验规律勒纳德等人通过实验得出以下结论：光电效应1定义：在光的照射下，物体表面发出电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫光电子。2光电效应规律一、光电效应3）光电效应的发生几乎是瞬时的，时间不超过10－9s.1）任何金属都有一个能产生光电效应的最低照射光频率，叫做极限频率4）光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，而与入射光强度无关。2）光电流强度与入射光的强度成正比．（1）某光恰能使锌发生光电效应，那么能使课本中表格内哪些金属发生光电效应?（2）表中哪种金属最易发生光电效应?阅读课本，回答下列问题思考为什么说光的波动理论无法解释光电效应的规律？光的波动理论是怎样描述光的能量的呢？经典电磁理论：1、光的能量是连续的2、光强越大，光的能量越大。二、电磁说解释光电效应的困难1.关于极限频率的困难光是一种电磁波与事实矛盾电子就会从金属表面飞出来电子获得积累的能量足够大光的强度足够、照射时间足够长光的能量由光的强度（振幅）决定二、电磁说解释光电效应的困难2.关于光电效应瞬时性的困难光均匀照在金属表面与事实矛盾从光照到打出光电子需要一定的时间电子的能量要有个积累的过程电子的能量逐渐增大二、电磁说解释光电效应的困难3.关于光电子的最大初动能的困难光强越大与事实矛盾光电子的最初动能与光强有关而与频率无关飞出金属表面的动能越大电子获得的能量越大三.光电效应解释中的疑难2.经典理论的疑难①光越强，光电子的初动能应该越大，实验表明光电子的最大初动能只与光的频率有关。②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。③如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于10－9s。以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。1、经典电磁理论：1、光的能量是连续的2、光强越大，光的能量越大。光的波动理论在解释光电效应时遇到了巨大的困难。后来，爱因斯坦在普朗克量子化理论的启发下，提出了光子说．普朗克爱因斯坦hE光不仅在发射和吸收时能量是一份份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子后来被称为光子。频率为ν的光的能量子为hν。爱因斯坦的光子说hE爱因斯坦的光量子假设1.光子：根据能量守恒原理，爱因斯坦认为：如果入射光的能量hv大于一个电子从金属表面逸出而必须做的功——逸出功W，那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余能量，即有些光电子具有一定的动能，因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样，所以它们吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样，由于逸出功W是使电子脱离金属所需做的最小功，所以电子吸收光子后能获得的最大初动能应满足：WhEk2.爱因斯坦的光电效应方程1.光子：0WEhk0WhEk或——光电子最大初动能——金属的逸出功W0221cekvmE一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：四.爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦光电效应方程1、逸出功：2、爱因斯坦光电效应方程：WhEk0wh光电效应有力地证明了光具有粒子性。3.光子说对光电效应的解释①爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率νC成线性关系，与光强无关。只有当hν＞W0时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率（极限频率）。hWc0②(ν＞ν0)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。③(ν＞ν0)光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流（光电流）大。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。4.光电效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。四.爱因斯坦的光量子假设4.光电效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖三、光电效应应用光电效应的突出特点是光电子的瞬时发射，利用这一特点制成的光电管，可以把光信号立即转变成电信号，快捷高速、动作灵敏，在科学技术、文化生活、工农业生产等各方面有广泛的应用。光电管1.光电管就是利用光电效应把光信号转变成电信号的一种传感器。2.阴极发出的光电子被阳极收集，在回路中会形成电流，称为光电流。光电管光电管的工作原理:为了把光电子尽可能多地收集到阳极，以增强光电流，通常还在光电管两极加上正向电压，如图所示，光电流在电阻的两端产生电压Uab，随着入射光的强弱变化而变化。这样，光电管就把光信号变成了电信号。K光玻璃泡阳极A阴极KG甲乙I1.光电管的构造和原理2.重要应用举例1）与电磁继电器联合工作组成光控继电器，用于安全生产、自动计数、自动分检等。2）制电影片时利用专门设备把声音变为光的变化，进而的声音的“像”摄帛在影片的边缘上。放电影时再把“像”还原成声音，制成了今天的“有声电影”（光电管发明以前是“无声电影”）。3）光纤通信－－－这是目前世界上争先研究和发展的高新技术之一，它将从根本上改变通信的容量和质量，前景十分广阔。下面以光纤电话为例，用框图形式了解一下它的大致工作过程。声音变成电信号电信号变成光信号光导纤维传送光信号光信号还原成电信号电信号还原成声音四.光电效应在近代技术中的应用放大器控制机构可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。1.光控继电器K1K2K3K4K5KA可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。2.光电倍增管2、存在着遏止电压和截止频率下面我们来继续探讨二、光电效应的基本规律3、效应具有瞬时性1、存在着饱和电流1、存在着饱和电流实验表明：入射光越强，饱和电流越大；入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。因为光照条件一定时，K发射的电子数目一定。单色光阳极GVAKR阴极使光电流减小到零的反向电压加反向电压，如右图所示：光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运动。若c221eUvmcecv速率最大的是最大的初动能U=0时，I≠0，因为电子有初速度则I=0，式中UC为遏止电压2、存在遏止电压和截止频率a.存在遏止电压UC：－U++++++一一一一一一vGVAKR我们来看如图所示的实验：GVAKR单色光实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.当图中电流表G的读数为0时，伏特表V的读数就是下式中的“Uc”。阳极阴极eUcvmce221b.存在截止频率从实验中可以看出，当入射光的频率减小到某一数值νC时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明已经没有光电子了。νC称为截止频率或极限频率。当入射光频率低于截止频率时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。即不能发生光电效应。－－规律三(2)存在遏止电压和截止频率3、效应具有瞬时性GVAKR单色光实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。光电效应在极短的时间内完成课堂小结光电效应实验规律的研究用经典光的电磁理论解释实验规律（只有部分能解释）难以解决的矛盾爱因斯坦光量子的假设（以普朗克能量子假说为基础）数学推理（爱因斯坦光电效应方程）与实验事实的对照（密立根实验）第二节康普顿效应1.光的散射光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射2.康普顿效应1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。一.康普顿散射的实验装置与规律：晶体光阑X射线管探测器X射线谱仪石墨体(散射物质)j0散射波长康普顿正在测晶体对X射线的散射按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！康普顿散射曲线的特点：a.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长。b.新波长随散射角的增大